汾河干流某段河勢演變及堤防方案研究

謝 洪

（山西東山供水工程建設(shè)管理有限公司,山西 太原 030002）

1 引言

堤防工程是重要的防洪建筑,堤防工程方案對河道行洪影響較大。在河道治理工程中,需要根據(jù)實際情況,采取合理的堤防型式,從而降低工程投資,保障河道行洪安全[1-4]。河道的河勢演變是影響堤防工程安全的一個重要因素,在河道工程治理前,對河道沖淤情況進(jìn)行分析,可為河道治理工程設(shè)計提供參考[5-7]。

2 工程概況

汾河某段河道流域形狀成條帶形,自西向東南方向流入汾河,在襄汾縣三跨橋上游150 m 處注入汾河,流域平均寬度4.9 km,平均縱坡11.81‰,峪口以上平均縱坡為14‰,峪口以下為10‰～8‰。生態(tài)修復(fù)治理段總長度3.223 km。

3 河勢演變情況分析

3.1 泥沙情況調(diào)查分析

統(tǒng)計分析柴莊水文站1964年7月～2010年6月年實測徑流量、輸沙量、含沙量,1964年7月～2010年6月柴莊水文站多年平均水沙量分別為7.63億m3和988萬t,其中汛期水沙量分別占全年的61.5%和91%,輸沙量主要集中于汛期。

根據(jù)柴莊斷面不同年份套繪圖可以得知,1990年前,斷面呈微淤狀態(tài)。1990年后,主槽沖刷,邊灘淤積,斷面縮窄,尤其2000年～2010年間,主槽沖深下切嚴(yán)重。

從歷年斷面的沖淤厚度分析,20世紀(jì)90年代以前斷面呈淤積狀態(tài)；不同時段的年平均淤積厚度在0.004 m～0.029 m之間。20世紀(jì)90年代以后,由于來水來沙銳減,沙量的減沙幅度大于水量,含沙量較小,斷面發(fā)生沖刷。

根據(jù)《汾河流域2021年秋汛洪水復(fù)盤分析報告》,柴莊站河道沖淤變化：測驗斷面起點距10.0 m～75 m為河道主槽,基本穩(wěn)定,沖淤變化不大,測驗斷面起點距75.0 m～200.0 m灘地處呈明顯沖刷變化。

3.2 河勢演變分析

根據(jù)上述泥沙沖淤分析,汾河主河槽在將來的擺動主要受到兩岸河堤情況和上游來水量的影響。隨著來水、來沙量的變化,河道可能發(fā)生沖刷和淤積情況。當(dāng)上游來水量處于較小的水平時,水流可基本在主槽內(nèi)穩(wěn)定流動,平面形態(tài)基本不可能發(fā)生較大的變化,此時,水流流速低,容易發(fā)生淤積。當(dāng)上游來水量較大時,水流流速增大,此時將導(dǎo)致河道主槽縱向變形加劇。當(dāng)發(fā)生超大規(guī)模的洪水時,河道平面上易出現(xiàn)溢流、沖刷現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查,歷史上主槽發(fā)生大幅度擺動的可能性較小。

根據(jù)上述分析可以得知,汾河治理段未來的河道演變趨勢為：中小水條件下,河道岸坡在平面上保持穩(wěn)定,河道縱向沖刷、淤積均可能發(fā)生。根據(jù)調(diào)查,治理段河道受兩岸地形影響,發(fā)生大幅度變化的可能性較低,但可導(dǎo)致河道縱向沖刷嚴(yán)重,當(dāng)連年枯水時,河道有可能出現(xiàn)淤積。

4 堤防方案分析

4.1 堤防型式比選

常見的堤防型式主要有：混凝土重力式擋墻、懸臂式擋土墻、漿砌石重力式擋墻、土堤等進(jìn)行比選,優(yōu)缺點見表1。

表1 堤防型式比選

表2 重力式堤防抗滑及抗傾穩(wěn)定計算成果表

表3 仰斜式堤防抗滑及抗傾穩(wěn)定計算成果表

經(jīng)以上綜合比較,結(jié)合本工程的實際運(yùn)行條件,本工程位于城區(qū)中心,應(yīng)盡可能減小占地,則土堤不適宜本工程；工程未治理段主要處于蓄水區(qū),需采用防滲性較好的堤防型式,則漿砌石擋墻不適宜本工程；另重力式擋墻較懸臂式擋墻施工面小、施工技術(shù)相對容易,且每延米投資相差不大,因此采用混凝土重力式擋土墻。

4.2 堤頂高程確定

堤頂超高Y應(yīng)按下式計算：

式中：R為設(shè)計波浪爬高,m；e為設(shè)計風(fēng)壅水面高度,m；A為安全加高值,m。

圖1 設(shè)計堤頂高程

河道治理段河道大部分地基為砂卵礫石,采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄D計算公式,本次不在贅述。

經(jīng)計算,河槽沖刷深度平均在1.5 m～2.0 m之間,最大沖刷深度為2.73 m。根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL 379-2007）第4.2.8條第一款規(guī)定,墻趾埋深宜為沖刷深度下0.5 m～1.0 m。根據(jù)工程設(shè)計,垂直防滲墻、擋墻與垂直防滲墻之間水平防滲均從樁號0+395開始至7#壩上游結(jié)束。樁號0-098～0+395段,擋墻埋深均為2 m,根據(jù)沖刷計算結(jié)果,墻趾埋深在沖刷線0.5 m以下,符合規(guī)范要求。樁號0+395～7#壩上游側(cè),該段墻趾埋深均為2 m,部分段不滿足防沖要求,工程設(shè)計對墻趾前至垂直防滲段采用0.5 m厚混凝土進(jìn)行水平防滲,水平防滲與墻趾及垂直防滲墻之間采用橡膠止水條止水,可有效防止水流沖刷,滿足行洪沖刷要求。7#壩下游至入汾口段,設(shè)計墻趾埋深均為2.1 m,根據(jù)沖刷計算結(jié)果,墻趾埋深在沖刷線0.5 m以下,符合規(guī)范要求。

圖2 局部沖刷深度

4.3 堤身斷面設(shè)計

本工程結(jié)合現(xiàn)場實際情況,分別采用重力式混凝土堤防和仰斜式混凝土堤防兩種,其中重力式擋土墻主要布設(shè)于北大街橋上游及振興路橋下游至入汾河口,仰斜式擋土墻主要布設(shè)于丁陶大道橋上游。

1）重力式堤防

重力式擋墻采用C25F150W6混凝土現(xiàn)澆,頂寬0.6 m,迎水坡采用1∶0.1,背水坡采用1∶0.3,墻趾為0.5 m,埋入土中2 m,無墻踵,墻頂高于設(shè)計洪水位0.8 m。

2）仰斜式堤防

仰斜式擋墻采用C25F150W6混凝土現(xiàn)澆,墻頂寬0.8 m,迎水坡為1∶0.25,背水坡為1∶0.35,墻底斜坡為1∶5,墻趾為0.8 m,厚1.5 m,埋入土中1.5 m,墻頂高于設(shè)計洪水位0.8 m。

4.4 堤身穩(wěn)定性分析

1）基本資料

計算單元：取高5.5 m 重力式堤防（埋深2 m）。

計算工況：分施工完建期、設(shè)計洪水期、正常運(yùn)行+地震三種情況。

土質(zhì)地基摩擦系數(shù)取0.4；墻后回填土濕容重17.5 kN/m3,凝聚力為17.1 kPa,內(nèi)摩擦角為19.6°。

2）抗滑穩(wěn)定計算

抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc按下式進(jìn)行計算：

式中：f為墻底摩擦系數(shù)；W、P分別為垂直方向、水平方向的力,N。

3）抗傾穩(wěn)定計算

傾穩(wěn)定性系數(shù)K0應(yīng)按下式計算：

式中：Mv、MH分別為抗傾覆和傾覆力矩,N·M。

5 結(jié)論

根據(jù)汾河干流治理段河道的實際情況,對河道河勢演變進(jìn)行預(yù)測分析,中小水時河岸在平面上比較穩(wěn)定,縱向有沖有淤。結(jié)合河道實際情況,選取4種方案進(jìn)行對比分析,采用混凝土重力式擋土墻具有良好的整體性、防水性,同時可節(jié)約土地,經(jīng)過穩(wěn)定性復(fù)核計算,滿足相關(guān)要求?？蔀轭愃乒こ烫峁﹨⒖?。